Sistemas de comunicación

Introducción

¡Atención el universo! Por reinos, ¡A la derecha! (voz de mando en el ejercito estadounidense.) Esta frase profética es el primer mensaje telegráfico registrado, que envió a travéz de una línea de 16 Km Samuel Morse, en 1838. Así nació una nueva era de en la comunicación, la era de la comunicación eléctrica.

Hoy, los sistemas de comunicación eléctrica se encuentran en todas partes donde se transimite la información de un punto a otro. El teléfono, la radio y la televisión han venido a ser factores de la vida diaria. Los circuitos de larga distancia cubren el globo terráqueo llevando texto, voces e imagenes. Los sistemas de radar y telemetría desempeñan papeles importantes, vitales, en navegación, defensa e investigación científica. Las computadoras hablan a otras computadoras por medio de enlaces de datos transcontinentales de datos. Los logros son muchos y la lista es, al parecer, interminable. Ciertamente se han logrado grandes avances desde los días de Morse; también es cierto que en las próximas decadas veremos muchas nuevas hazañas en la ingeniería de la comunicación, aunque las aplicaciónes potenciales sólo están limitadas por las necesidades, aspiraciones e imaginación del hombre.

Un sistema típico está formado de numerosas y diversas partes cuya comprensión escapa virtualmente a todas las especialidades de la ingeniería eléctrica: conversión de la energía, teoria de redes, electrónica y teoria elecrtomagnética, para citar unas cuantas. Más aún, en el análisis pormenorizado se perdería el punto esencial de que un sistema es un todo integrado que realmente excede la suma de las partes.

En vez de eso, se tratará el tema desde un punto de vista más general. Reconociendo que todos los sistemas de comunicación tienen la misma función básica, o sea, la transmición de la información, buscaremos y aislaremos los principios y los problemas de la información que se ha de transmitír en forma eléctrica.

El contacto con la ingeniería de sistemas es algo poderoso, y al mismo tiempo algo abstracto, pero confinado en las matématicas, podemos llegar al corazón de los más complejos problemas. Sin embargo, debemos de tener en mente que las matemáticas son un medio para lograr un fin, y éste sigue siendo un conocimiento básico de la comunicación eléctrica.

Comunicación, Mensajes y Señales

Para empezar, definimos a la comunicación como un proceso por medio del cual la información se transfiere de un punto llamado fuente, en espacio y tiempo, a otro punto que es el destino o usuario. Un sistema de comunicación es la totalidad de mecanismos que proporcionan el enlace para la información entre fuente y destino. Un sistema de comunicación eléctrica es aquel que ejecuta esta función principal, pero no exclusivamente, por medio de dispositivos y fenómenos eléctricos.

Hay mucha clases de fuentes de información, incluso hombres y máquinas; por eso, los mensajes aparecen en muchas formas; una sequencia de símbolos o letras discretas; una magnitud sencilla variando con el tiempo, varias funciones del tiempo y otras veriables. Pero, sea cual fuere el mensaje, el objeto de un sistema de comunicación, es proporcionar una réplica aceptable de él en su destino.

Como regla, establezcamos que el mensaje producido por una fuente no es eléctrico y, por lo tanto, es necesario un transductor de entrada. Este transductor convierte el mensaje en una señal, una magnitud eléctrica variable, tal como un voltaje o una corriente. Similarmente, otro transductor convierte la señal de salida a la forma apropiada del mensaje. En lo sucesivo, los términos señal y mensaje se usarán indistintamente.

LOS ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN

La figura 1-1 muestra los elementos funcionales de un sistema completo de comunicación.

Elementos funcionales

Omitiendo los transductores, hay tres partes esenciales en un sistema de comunicación eléctrica, el transmisor, el canal de transmisión y el receptor. Cada uno con su función característica.

Transmisor:

El transisor pasa el mensaje al canal en forma de señal. Para lograr una transmisión eficiente, se deben desarrollar varias operaciones de procesamiento de la señal. La más común e importante de estas operaciones es la modulación, un proceso que se distingue por el acoplamiento de la señal transmitida a las propiedades del canal, por medio de una onda portadora.

Canal de transmisión:

El canal de transmisión o medio es el enlace eléctrico entre el transmisor y el receptor, siendo el puente de unión entre la fuente y el destino. Puede ser un par de alambres, un cable coaxial, una onda de radio o un rayo laser. Todos caracterizados por la atenuación, la disminición prograsiva de la potencia de la señal conforme aumenta la distancia. La magnitud de la atenuación puede ser pequeña o muy grande, generalmente es grande.

Receptor:

La función del receptor es extraer del canal la señal deseada y entregarla al transductor de salida, como las señales son frecuentemente débiles, resultado de la atenuación, el receptor debe tener varias etapas de amplificación.

Contaminaciones:

Durante la transmisión de la señal ocurren ciertos efectos no deseados. Uno de ellos es la atenuación, la cual reduce la intensidad de la señal; sin embargo, son más serios la distorsión, la interferencia y el ruido, los cuales se manifiestan como alteraciones de la forma de la señal.

Estos efectos se clasifican de la manera siguiente:

Distorsión; es la alteración de la señal debida a la respuesta imperfecta del sistema a ella misma. A diferencia del ruido y la interferencia, las distorsión desaparece cuando la señal deja de aplicarse.

En la práctica debe permitirse cierta distorsión, aunque su magnitud debe estar dentro de límites tolerables.

Interferencia; es la contaminación, por señales extrañas, generalmente artificiales y de forma similar a las de la señal. La solución al problema de interferencia es obvia: eliminar en una u otra forma la señal interferente o su fuente.

Ruido; se le llama así a las señales aleatorias e impredecibles de tipo eléctrico originadas en forma natural dentro o fuera del sistema. Cuando estas variaciones se agregan a la señal portadora de la información, ésta puede quedar en gran parte oculta o eliminada totalmente. como veremos, el ruido no eliminable es uno de los problemas básicos de la comunicación eléctrica.

Modulación:

La modulación es la alteración sistemática de una onda portadora de acuerdo con el mensaje (señal moduladora) y puede ser también una codificación.

Existen muchas formas de comunicación no eléctricas, que también encierran un proceso de modulación, y la voz es un buen ejemplo. Cuando una persona habla, los movimientos de la boca ocurren de una manera más bien lenta, del orden de los 10 Hz, que realmente no pueden producir ondas acústicas que se propaguen. La transmisión de la voz se hace por medio de la genreación de tonos portadores, de alta frecuencia, en las cuerdas vocales, tonos que son modulados por los músculos y órganos de cavidad oral. Lo que el oído capta como voz, es una onda acústica modulada.

Tipos de modulación:

Es posible identificar dos tipos básicos de modulación en relación a la clase de onda portadora: la modulacíon de onda continua (CW), en la cual la portadora es simplemente una forma de onda senoidal, y la modulación de pulsos, en la cual la portadora es un tren periódico de pulsos.

Puesto que la modulación de onda continua es un proceso continuo, es posible adaptarla a señales que están variando constantemente con el tiempo. Generalmente la portadora senoidal es de mayor frecuencia que cualquiera de las componentes de frecuencia contenidas en la señal moduladora. El proceso de modulación se caracteriza pues por una traslación de frecuencia, es decir el espectro del mensaje se corre hacia arriba a otra banda de mayor frecuencia.

La modulación de pulsos es un proceso discontinuo, en el sentido de que los pulsos aparecen sólo en ciertos intervalos de tiempo. Por eso la modulación de pulsos se adapta mejor a los mensajes que son discretos por naturaleza. Tanto en los telégrafos como en los teletipos, la modulación de pulsos y la codificación van de la mano.

Como alternativa a la clasificacion anterior, algunas veces es preferible designar a la modulación como analógica o codificada (digital). Esto es cierto en los sistemas más complejos que emplean ambas técnicas (modulación CW y pulsada), haciendo distinción de su tipo indefinido de portadora. La diferencia entre analógica y digital es la siguiente: en la primera, el parámetro modulado varía en razón directa a la señal moduladora. En la modulación codificada, ocurre una tranformación digital, por medio de la cual el mensaje se cambia de un lenguaje simbólico a otro. Si el mensaje es originalmente una función continua de tiempo, debe ser muestreado y digitalizado (cuantificado) antes de ser codificado.

Independientemente del tipo CW o pulsada analógica o codificada la modulación debe ser un proceso reversible, de tal manera que el mensaje pueda ser recuperado en el receptor por medio de la operación complementaria de demodulación.

Modulación por facilidad de radiación

Una radiación eficiente de energía electromagnética requiere de elementos radiadores (antenas) cuyas dimenciones físicas sean por lo menos de 1/10 de su longitud. Pero muchas señales, especialmente de audio, tienen componentes de frecuencia del orden de los 100 Hz o menores, para lo cual necesitan antenas de unos 300 Km de longitud si se radian directamente. Utilizando la propiedad de traslación de frecuencia de la modulación, estas señales se pueden imprimir sobre una portadora de alta frecuencia, con lo que se logra una reducción sustancial del tamaño de la antena. Por ejemplo, en la banda de radio de FM, donde las portadoras están en el rango de 88 a 108 Mhz, las antenas no deben ser mayores a un metro.

Modulación para reducir el ruido y la interferencia

Hemos dicho que es imposible eliminar totalmente el ruido del sistema. Y aunque es posible eliminar la interferencia, puede ser no práctico. Por fortuna, ciertos tipos de modulación tienen la útil propiedad de suprimir tanto el ruido como la interferencia. La supresión, sin embargo, ocurre a un cierto precio; generalmente requiere de un ancho de banda de transmisión ( intervalo de frecuencia) mucho mayor que la señal original; de ahí la designación de reducción del ruido de banda ancha. Este convenio de ancho de banda para la reducción del ruido es uno de los interesantes y a veces desventajosos aspectos del diseño de un sistema de comunicaciones.

Modulación por asignación de frecuencia

El propietario de un aparato de radio o televisión puede seleccionar una de varias estaciones, aun cuando todas las estaciones estén transmitiendo programación en el mismo medio de transmisión. Es posible seleccionar y separar cualquiera de las estaciones, dado que cada una tiene asignada una frecuencia portadora diferente. Si no fuera por la modulación, sólo operaría una estación en una area dada. Dos o más estaciones que transmiten directamente en el mismo medio, sin modulación, produciría una mezcla inútil de señales interferentes.

Modulación para multicanalización

A menudo se desea transmitir muchas señales en forma simultánea entre dos puntos. Las técnicas de multicanalización son formas, intrínsicas de modulación, permiten la transmisión de señales múltiples sobre un canal, de tal manera que cada señal puede ser captada en el extremo receptor, Las aplicaciones de la multicanalización comprenden telemetría de datos, emisión de FM estereofónica y telefonía de larga distancia. Es muy común, por ejemplo, tener hasta 1,800 conversaciones telefónicas de ciudad a ciudad, multicanalizadas y transmitidas sobre un cable coaxial de un diámetro menor a un centímetro.

Modulación para superar las limitaciones del equipo

El diseño de un sistema queda gereralmente a la disponibilidad de equipo, el cual a menudo representa inconvenientes en relación con las frecuencias involucradas. La modulación se puede usar para situar una señal en la parte del espectro de frecuencia donde las limitaciones del equipo sean mínimas o donde se encuentren más fácilmente los requisitos de diseño. Para este propósito, los dipositivos de modulación se encuentran también en los receptores, como ocurre con los transmisores.

Limitaciones fundamentales en la comunicación eléctrica

En el diseño de un sistema de comunicación existen dos clases generales de restricciones: los factores tecnológicos, es decir los factores vitales de la ingeniería y por otro lado las limitaciones físicas fundamentales impuestas por el propio sistema, osea las leyes de la naturaleza en relación con el objetivo propuesto.

Ambas clases de restricciones deben ser analizadas al diseñar el sistema. Hay más de una diferencia, pues los problemas tecnológicos son problemas de practibilidad que incluyen consideraciones tales como disponibilidad de equipo, interacción con sistemas existentes, factores económicos, problemas que pueden resolverse en teoría, aunque no siempre en la práctica. Las limitaciones físicas fundamentales son justamente eso; cuando aparecen, no existen recursos, incluso en teoría. Sin embargo los problemas tecnológicos son las limitaciones que en última instancia señalan si pueden o no ser salvadas. Las limitaciones fundamentales en la transmisión de la información por medios eléctricos son el ancho de banda y el ruido.

La limitación del ancho de banda

La figura 1 muestra el elemento tiempo como una parte integrante de los sistemas de comunicación. La utilización de sistemas eficientes conduce a una reducción del tiempo de transmisión, es decir, que se transmite una mayor información en el menor tiempo. Una transmisión de información rápida se logra empleando señales que varían rápidamente con el tiempo. Pero estamos tratando con un sistema eléctrico, el cual cuenta con energía almacenada; y hay una ley de física bien conocida que expresa que en todos los sistemas, exepto en los que no hay pérdidas, un cambio en la energía almacenada requiere de una cantidad definida de tiempo . Así, no podemos incrementar la velocidad de la señalización en forma arbitraria, ya que en consecuencia el sistema dejará de responder a los cambios de señal.

Una medida conveniente de la velocidad de la señal, es su ancho de banda, o sea, el ancho del espectro de la señal. En forma similar, el régimen al cual puede un sistema cambiar energía almacenada, se refleja en su respuesta de frecuencia útil mededida en términos del ancho de banda del sistema. La transmisión de una gran cantidad de información en una pequeña cantidad de tiempo, requiere señales de banda ancha para representar la información y sistemas de banda ancha para acomodar las señales. Por tanto, dicho ancho de banda surge como una limitación fundamental. Cuando se requiere de una transmisión en tiempo real, el diseño debe asegurar un adecuado ancho de banda del sistema. Sí el ancho de banda es insuficiente, puede ser necesario disminuir la velocidad de señalización, incrementándose así el tiempo de transmisión. Debe recalcarse que el diseño del equipo no es con mucho un problema de ancho de banda absoluto ofraccionario, o sea, el ancho, de banda absoluto dividido entre la frecuencia central; si con una señal de banda ancha se modula una portadora de alta frecuencia, se reduce el ancho de banda fraccionaria con ello se simplifica el diseño del equipo. Esto es una razón por la qué en señales de TV cuyo ancho de banda es de cerca de 6 Mhz se emiten sobre portadoras mucho mayores que en la transmisión de AM, donde el ancho de banda es de 10 KHz.

Así mismo, dado un ancho de banda fraccionaria resultado de las consideraciones del equipo, el ancho de banda absoluto puede incrementarse casi indefinidamente llegando hasta frecuencias portadoras mayores. Un sistema de microondas de 5 Ghz puede acomodar 10,000 veces más información en un período determinado que una portadora de radio frecuencia de 500 Khz, mientras que un rayo laser cuya frecuencia sea de 5 E+14 Hz tiene una capacidad teórica de informacion que excede al sistema de microondas en un factor de 1 E+5, o sea, un equivalente aproximado de 10 millones de canales de TV. Por ello es que los ingenieros en comunicaciones están investigando constantemente fuentes de portadoras de alta frecuencia nuevas y utilizables para compensar el factor ancho de banda.

La figura 1-2 muestra el espectro redioelécrico en uso potencialmente disponible para la comunicación eléctrica.
 
 

La limitación ruido

Un instrumento de medición que posee un 1% de resolución de lugar a una mayor información que un instrumento con un 10%; la diferencia es 1 de exactitud. En forma similar, el éxito en la comunicación elécrtrica depende de la exactitud. En forma similar, el exito en la comunicación eléctrica depende de la exactitud con que el receptor pueda determinar cual señal es la que fué realmente transmitida, diferenciandola de las señales que podrían haber sido transmitidas. Una identificación perfecta de la señal sería posible sólo en ausencia de ruido y otras contaminaciones, pero el ruido existe siempre en los sistemas eléctricos y sus perturbaciones sobrepuestas limitan nuestra habilidad para identificar correctamente la señal que nos interesa y así, la transmisión de la información.

¿Por qué es inevitable el ruido? Detalle curioso, la respuesta proviene de la teoría cinética. Cualquier partícula a una temperatura diferente de cero absoluto, posee una energía térmica que se manifiesta como movomiento aleatorio o agitación térmica. Si la partícula es un electrón, su movimiento aleatorio origina una corriente aleatoria. Luego, si esta corriente aleatoria ocurre en un medio conductor, se produce un voltaje aleatorio conocido como ruido térmico o ruido de resistencia. Mientras el ruido de resistencia es solo una de las posibles fuentes en un sistema, muchos otros están relacionados, en una u otra forma, al movimiento electrónico aleatorio. Más aún, como era de esperarse de la dualidad onda-partícula, existe ruido térmico asociado con la rediación electromagnética. En consecuencia, como no podemos tener comunicación eléctrica sin electrones u ondas electromagnéticas, tampoco podemos tener comunicación eléctrica sin ruido.

Las variaciones de ruido típicas son muy pequeñas, del orden de los microvolts. Si la variaciones de la señal son sustancialmente mayores, el ruido puede ser ignorado. En realidad, en sistemas ordinarios bajo condiciones ordinarias, la relación señal a ruido es bastante grande para que el ruido no sea perceptible. Pero en sistemas de alto régimen o de potencia mínima, la señal recibida puede ser tan pequeña como el ruido o más. Cuando esto suceda, la limitación por ruido resulta muy real.

Es importante señalar que si la intensidad de la señal es insuficiente, añadir más pasos de amplificación en el receptor no resuelve nada; el ruido será amplificado junto con la señal, lo cual no mejora la relación señal a ruido. Aumentar la potencia transmitida ayuda, pero la potencia no se puede incrementar en forma indefinida por razón de problemas tecnológicos. En forma alterna, como se mencionó al principio, podemos permutar el ancho de banda por la relación señal a ruido por medio de técnicas de modulación y codificación. No es de sorprender que la más efectiva de esas técnicas generalmente sea la mas costosa y difícil de instrumentar. Nótese que el trueque del ancho de banda por la relación señal a ruido puede llevarnos de un limitación a otra.

En el análisis final, dado un sistema con ancho de banda y relación señal a ruido fijos, existe un límite superior definido, al cual puede ser transmitida la información por el sistema. Este límite se conoce con el nombre de capacidad de información y es uno de los conceptos centrales de la teoría de la información. Como la capacidad es finita, se pude decir, que el diseño de sistemas de comunicación es un asunto de compromiso; un compromiso entre tiempo de transmisión, potencia transmitida, ancho de banda y relación señal a ruido.

Cronología de la comunicación eléctrica
 
1800-1837 Descubrimientos preliminares Volta descubre la batería primaria; los tratados matemáticos de fourier, Cauchy y Laplace; experimentos con electricidad y magnetismo por Orested, Ampere, Faraday y Henry; la ley de Ohm (1826); primeros sistemas telegráficos por Gauss y Weber y poe Wheatstone y Cooke
1838-1866 El nacimiento de la telegrafía Morse perfecciona su sistema con la ayuda de Gale, Henry y Vail; Steinheil encuentra que la tierra puede ser empleada como conductor; se inició el servicio comercial (1844); se inventó la técnica de la multicanalización; William Thomson calcula la respuesta a los pulsos en una linea telegráfica (1855); instalaron los cables transatlánticos por Cyrus Field.
1845 Son enunciadas las leyes de Kirchoff para circuitos
1864 Una teoría dinámica del campo electromagnético, po James Clark Maxwell, predice la rediación electromagnética.
1876-1899 El nacimiento de la telefonía Es perfeccionado el transductor acústico por Alexander Graham Bell, después de varios intentos hechos por Reis; primer intercambio telefónico, en New Heven, Conn., con ocho líneas (1878); transductor de carbón, a botón de Edison; se introdujeron los circuitos de cables; Strowger inventa la conmutación paso a paso (1887); la teoría del cable cargado por Heavisisde, Pupin y Campbell.
1887-1907 La telegrafía inalámbrica Heinrich Hertz comprueba la teoría de Maxwell; demostraciones por Marconi y Papov; Marconi patenta un sistema completo de telegrafía inalámbrica (1897); Sir Oliver Lodge desarrolla la teoría de los circuitos sintonizados; principia el servicio comercial que incluye sistemas barco-tierra y transatlánticos.
1892-1899 Publicaciones de Oliver Heaviside sobre cálculo operacional, circuitos y teoría electromagnética
1904-1920 La electrónica aplicada al radio y al teléfono Lee De Forest inventa el Audión (triodo) basado en el diodo de Fleaming; tipos básicos de filtros desarrollados por G.A. Campbell y otros; experimentos de rediotransmision de AM; linea telefónica transcontinental con repetidores electrónicos con el sistema Bell (1915); nace la telefonía multicanal sobre portadora; E. H. Armstrong perfecciona el receptor superheterodino (1918); primera estación rediodifusora, KDKA, en Pittsburgh.
1920-1928 Documentos guía sobre la teoría de la transmisión de señales y del radio por J. R. Carson, H, Nyquist, J. B. Jhonson y R. V. L. Hartley.
1923-1938 El nacimiento de la televisión Sistemas mecánicos de formación de imagenes demostrados pro Bird y Jenkins; análisis teórico de los requisitos de ancho de banda por Gray, Horton y Mathes; Fransworth y Zworykin proponen sistemas electrónicos; tubos de vacío de rayos catódicos perfeccionado por Dumont y otros; empiezan la pruebas de campo y la transmisión experimental.
1931 Se inicia el servicio de teleimpresoras
1934 H. S. Black desarrolla el amplificador con retroalimentación negativa.
1936 "Un método para la reducción de perturbaciones en la emisión de sñales de radio por un sistema de modulación en frecuencia" por Armstrong, propicia la creación de la radio de FM
1937 Alec Reeves concibe la modulacion por codificación de pulsos.
1938-1945 Segunda Guerra Mundial Se desarrollan los sistemas de radar y microondas; la FM es usada en forma amplia en las comunicaciones militares; mejoras en electrónica, hardware y teoría en todas las áreas; Weiner y Kolmogoroff aplican métodos estadísticos a los problemas de detección de señales.
1948 C. E. Shannon publica "Una teoría Matématica de la Comunicación"
1948-1951 El transistor es inventado por Bardeen, Brattain y shochley.
1950 El sistema multicanal por divición de tiempo es aplicado a la telefonía.
1955 J. R. Pierce propone sistemas de comunicación por satélites.
1956 Primer cable telefónica transoceánico (36 canales de voz).
1958 Se desarrollan sistemas de transmisión de datos a larga distancia con propósitos militares.
1960 Mainman demuestra el primer lasser
1961 Los circuitos integrados entran en la producción comercial.
1962 Principia la comunicación por satélite con el Telstar I.
1962-1966 El nacimiento de la comunicación digital de alta velocidad El servicio de transmisión de datos aparece en forma comercial; canales de banda ancha para señalización digital; la modulación por codificación por pulsos se hace factible en la transmisión de voz y TV; mejoras en la teoría e implementación de la transmisión digital; incluyendo métodos de codificación y control de error por Bose, Chaudhuri, Wozencraft y otros, y el desarrollo de la igualación para adaptación por Lucky y colaboradores.
1963 Osciladores de microondas de estado sólido perfeccionados por Gunn y otros.
1964 Se ponen en servicio los sistemas de conmutación teléfonica completamente eléctronicos (No. 1 ESS).
1965  El Marriner IV transmite imágenes de Marte a la tierra.
1966-1975 Precursores de Futuro: Sistemas de TV por cable; enlaces experimentales de comunicación con lasser; ensayos en el campo de la fonovisión; desarrollos de trabajos en las fibras ópticas; guía de ondas helicoidales; filtros digitales, dispositivos acoplados en carga y circuitos integrados en gran escala.